CTA報告5：
CTA焦点面検出器の開発
折戸玲子(徳島大総合科学) 他 CTA-Japan Consortium
1. イントロダクション
2. CTA焦点面検出器のデザイン概要と現状
3. 光検出器モジュールの開発
4. 較正システムの開発
5. まとめ日本物理学会2010年秋季大会（九州工業大学戸畑キャンパス）Cherenkov Telescope Array(CTA)計画• 世界22ヶ国、約110機関からなる国際共同実験• 大中小の複数のチェレンコフ望遠鏡のアレイにより、現状の望遠鏡の10倍高い感度を実現し、エネルギー領域を数10 GeVから100 TeV領域までカバー• 日本からはCTA-Japan(29機関、約50名)が参加

CTA-Japan Web http://cta.scphys.kyoto-u.ac.jp/

CTA焦点面カメラ概要• 焦点面検出器 Focal Plane Instrument (FPI) では、光検出器のアレイにより、反射鏡で集光されたチェレンコフ光のイメージの撮像を行う。
• 大中小口径の望遠鏡について下記のデザインの採用を検討
望遠鏡口径 D[m]24 (大口径)

12(中口径)7(小口径)

光学系デザインParabolic

Davies-Cotton

Davies-Cotton

焦点距離 F [m]

31.2

16.8

10.5

F/D

1.3

1.4

1.5 (>1.3)

視野 [deg]

5-6810カメラ径 [m]2.7 – 3.3 m

2.35

1.83

ライトガイド in/out比

≤ 2.3

≤ 2.3

≤ 2.3

ピクセルサイズ[mm]54 (0.10°)

54 (0.18°)

54 (0.29°)

ピクセル数2300 - 3330

17001030

光検出器総数 PMT 〜10万本を予定

大口径望遠鏡CTA焦点面カメラの構造• 光学窓・冷却系を搭載しシーリングされたカメラ本体• 光電子増倍管7本を一組として、高圧、プリアンプ、読み出しエレクトロニクス、制御・モニターエレクトロニクスを組みこんだクラスター単位で搭載
クラスター

ライトガイド
読み出し及び制御・モニター
PMT・高圧・プリアンプ エレクトロニクス(MAGIC-II)CTA焦点面検出器開発の流れと現状• カメラ形状・構造最適化• 光検出器・高圧・プリアンプなどの要素開発• クラスタープロトタイプの開発• カメラ本体、冷却系の開発• クラスター量産、量産品較正
• 輸送• サイトでのコミッショニング、較正• オペレーション、メンテナンス• アップグレード
日本グループとしては全ステージで主要な貢献をしていきたい。

光検出器の開発• 第一候補は光電子増倍管• 10万本を供給可能な企業

浜松ホトニクス社, Electron Tube Enterprise社• 望遠鏡パフォーマンスからの要求仕様– 光電面直径: 34mm (カメラピクセルサイズ50mm)– 窓形状: convex/concave/hemispherical– 有感波長領域： 300-600nm– 感度： ピーク量子効率35%以上– ダイナミックレンジ: 1 光子識別可~5000 p.e.以上– アフターパルス 2x10-4 以下(≧4 p.e)
– 時間分解能： 1.3ns 以下(TTS, 1p.e.)– パルス幅： 2.5 ~ 3ns (FWHM)– 寿命 10 年間でゲイン低下20%以下– 標準動作ゲイン： 〜4x104• 浜松ホトニクス社R8619,R9420 やET社9117B,9142B を候補に改良を進めている。

87mm

38mm

浜松ホトニクス社 R8619MOD-100

R8619MOD-100の性能評価• 1.5インチ、スーパーバイア
ルカリ、ダイノード 8段

pedestal
1 p.e.
Cathode-Dy1
300V

Gain~ 4x104@-850V

定格0~-1500V

R8619MOD-100の性能評価
波形

アフターパルスレート<0.02% (≧4 p.e.)

FWHM ~2.6ns~5 p.e.入射光量

浜松ホトニクス社R8619MOD-100が要求仕様を満たしつつあり、日本グループとしてはCTA全望遠鏡での採用を促す。

光検出器モジュールの開発• PMT 7本を1組として高圧、プリアンプ、読み出しエレクトロニクス、制御・モニターエレクトロニクス、ライトガイドを組みこむ。
日本で開発中。
• 高圧・ブリーダー: Cockcroft-waltonタイプのものを浜松ホトニクスと共同で開発中(省電力)• プリアンプ：SGA5586(Sirenza Microdevices)をCW-HVの後段に実装• 高圧制御・モニター・読み出しエレクトロニクス：⇒14pSA-8 青野
PMT+Cockcroft-walton HV(MAGIC-II)

HV

プリアンプ・モニター

量産及び量産品試験• Quality Control を重視し、PMTクラスターの量産を行う。
• 各大学・研究機関で共通かつコンパクトなセットアップを使用し、量産品試験

動作確認, 1 p.e.分布, 波形, 線形性, ゲインカーブ• さらに、実物カメラ¼サイズでの総合較正を行う。
サイト輸送前後、定期的に実施し、メンテナンスを容易にすると同時にデータ解析にフィードバックをかける。

総合較正• 冷却系,シーリング,電源, 光学窓を含む実物の1/4サイズカメラのセットアップ• 光検出器ゲイン較正、線形性、波形、タイミング、ダイナミックレンジ、応答角度依存、スパーク• エレクトロニクス
キャパシタアレイ全キャパシタの較正、線形性、温度依存性、クロストーク、波形、帯域、ダイナミックレンジ、ノイズレベル• シミュレータ
夜光及びチェレンコフ光のシミュレーション

• その他
機械精度
温度コントロール

CTA焦点面検出器開発全体スケジュール• 2011年中：光検出器、高圧、プリアンプ、ライトガイド、制御・モニター系等の要素開発。クラスターのプロトタイプの性能評価。カメラ本体の開発。
• 2012年中：クラスターの最終デザイン決定。
プロトタイプ望遠鏡用に日本で200クラスターの製作。
クラスターの量産とキャリブレーション開始。
• 2014年〜：望遠鏡の建設開始。2014年から2016年の3年間でクラスター全数の製作、輸送、現地でのコミッショニング。

CTA-Japan焦点面検出器メンバー
2010年9月現在• 広島大学 片桐秀明、深沢泰司、水野恒史、高橋 弘充• 宇宙線研究所 榎本良治 手嶋政廣
• 京都大学 株木重人、窪秀利、谷森達、林田将明• 山形大学 郡司修一、門叶冬樹• 東京理科大学 千葉順成
• 東海大学西嶋恭司• 宇宙航空研究開発機構 馬場彩 奥村曉
• 早稲田大学 中森健之
• 埼玉大学寺田幸功• 甲南大学山本常夏• 名古屋大学 田島宏康
宇宙線実験などのバックグラ• 徳島大学折戸玲子
ウンドがある20名

Summary• Cherenkov Telescope Array(CTA)計画では、現状のチェレンコフ望遠鏡の10倍高い感度、エネルギー範囲の一桁拡大を目指す• CTA-Japanでは浜松ホトニクス社と協力し、焦点面検出器の開発を行っている• 光検出器や高圧、プリアンプなど各コンポーネントの開発• 7本を一組とし、読み出しエレクトロニクスを搭載したクラスターの開発• 量産・アセンブリについて日本でのラインを確立、量産品のキャリブレーションシステム、コミッショニング、メンテナンス、データ解析、アップグレードなどCTA焦点面検出器開発の全ステージに貢献していく予定である。